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1、 电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯1 前言1 1 引言在材料加工领域，开发新技术、采用新工艺是提高材料性能和开发新材料的前提。 对材料的凝固过程进行控制，可以改善铸锭的表面和内部质量，挖掘材料的潜在性能以 扩大铸造材料的应用范围，提高材料的利用率，减少能源消耗。材料的电磁成型和加工 技术就是重要的手段之一。熔铸是铝加工材加工生产的头道工序，若熔铸质量不高，不及时排除央杂物( A 1 2 0 3 等) 和气体( 氢) 等冶金缺陷，其后一系列加工工序 a - 气_ 杂公式，根据热力学第二定律，铝液中的氧化物夹杂能自动吸附在惰性气体气泡上面而被带出液面。 对于铝来说，活性气体主要是指氯气，本身不溶于
2、铝熔体中，但氯气和铝熔体及溶 于铝中的氢会发生如下反应：a 2 + H 2 _ 2 月口个3 c f + 2 4 ，+ 2 爿，C f l 十反应生成物H C I 和A I c l 3 ( 沸点1 8 3 ) 均为气态，不溶于铝液，和未参加反应的氯 气一起都能起精炼作用。氯气精炼效果虽然好，但它对人体有害、污染环境、易腐蚀设 备及加热元件，因此在实际应用中大多用氮一氯混合气体进行精炼，以提高精炼效果，减少其危害作用。3 非吸附净化的原理 非吸附净化包括真空处理和机械过滤。真空处理，主要是去除铝熔体中的氢，即在真空状态下，铝熔体的吸气倾向趋于零，而且溶解在铝液中的氢有强烈的析出倾向；机 械过滤，
3、是靠微孔过滤去除铝熔体中的不溶性夹杂。泡沫陶瓷过滤器过滤净化的机理是通过三种物理化学作用，分离液态铸造合金中的夹杂物，达到净化金属液的效果【4 9 】。( 1 ) 滤饼机制： 复杂的泡沫陶瓷结构，可以高效地机械挡渣。当金属液通过复杂的泡沫陶瓷过滤器时，通过过滤介质的机械分离作用，把大于过滤器表面孔眼的央杂物滤除，并使之沉积 在过滤器液态金属流入端，成为过滤器的一个组成部分，随着夹杂物在过滤器表面上堆积数量的增多，逐渐形成了一层“滤饼”。使金属液流通道进一步变细，因而新增的过 滤介质表面可以滤除更为细小的夹杂物。与此同时，介质内部也有过滤作用，在贯穿于 陶瓷体的众多小孔中，有的呈现微小狭缝，有的
4、存在死角，这些变化不同的区域都是截 获夹杂物的可能位置。过滤器内部也存在“滤饼”效应。( 2 ) 表面效应： 当金属流经结构复杂的陶瓷体时，被分割成许多细小的流股，增大了金属液中夹杂 物与过滤介质的接触面积及接触机率。由于过滤器表面是极微小的凸凹面，凹块尺寸约 l l O 岬，对夹杂物有静电吸附和粘附截流作用。多数的夹杂物都被截流到过滤器的进 入口一方。当过滤器水平放置时，夹杂物同样也被抑制，截留到过滤器进入口的一方。( 3 ) 整流效应：金属液流过泡沫陶瓷过滤器时，被分割成许多细小单元的流股，其直径较小，从而 使雷诺数( 民= Vd Y ) 变小，使液流趋于层流运动。当金属液处于层流状态时，
5、由于电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯熔融金属液的密度远大于夹杂物的密度，因而使夹杂物有充分的时间上浮除去，也即泡 沫陶瓷过滤器能辅助横浇道挡渣。浇注系统中放置过滤器后，金属液流动的阻力增加， 在横浇道中流动的金属液容易形成充满流动，并使流速降低，有利于夹杂物上浮，并滞留在横浇道的顶面。1 6 铝熔体净化的方法及发展传统的铝液净化处理工艺一般都是在保温炉内分批进行操作的，普遍采用氮一氯混 合气体熔剂进行精炼。这种净化处理工艺大多由人工操作，除气效率低，精炼不彻底。 铝液从保温炉向铸造机输送过程中，铝液会再次被污染，且工人劳动强度大，劳动环境 差，污染严重。对大容量的炉子，人工操作难以实现。随着航
6、空用高质量铝合金、铝箔 等高精制品的出现，对铝坯的质量要求越来越高。传统的铝液净化处理工艺已不能适应 大规模生产高质量锭坯的要求。为此，国内外有关人士经过长期摸索的大量工作，开发 了先进的铝熔体净化处理的新工艺炉外铝熔体净化处理新工艺，即铝熔体在从保温 炉向铸造机输送过程中，进行精炼、过滤处理，可以高效除去熔体中的可溶和不可溶的杂质。1 6 1 生产中应用的铝熔体净化处理新工艺铝熔体净化处理方法很多，归纳起来大致可分为三大类： ( 1 ) 以除气为主的方法有A s v 公司的动态真空除气法。8 0 9 0 ) ，但二者过滤净化机理相同，均具有深床过滤机制。过滤时，铝液携带着非金属夹杂物沿曲折的
7、沟道和孔隙流动，在这个过程中，夹杂物在沉积作用、流体动力作 用、直接截取作用、布朗扩散作用等捕集机理的联合作用下( 通常情况条件下，沉积作用和直接截取作用占优势) ，与过滤材料内表面相接触，此时，受到流体轴向压力、摩擦力、表面吸附力( 包括总是呈现吸引力的范德华力和静电、动电力) ，有时还有化学力等滞留力作用的夹杂物，便被牢固地滞留在过滤材料的孔洞内表面、缝隙、缩缝或洞穴处而与金属液相分离。这种过滤净化工艺的过滤效果取决于多孔陶瓷过滤器的厚度，孔径大小、形状、以及铝液接近过滤片的速度。过滤片厚度愈大和孔径愈小，铝液流经过滤片时间愈长，夹杂物被沉积、碰撞的机会也多，吸附在孔壁的也就愈多：由于过滤
8、片通道是弯曲的，因 此铝液通过孔道改变方向的同时，其中的固体微粒与孔壁碰撞会被粘附到孔壁上。当铝液在孔洞中的流速很小时，会因固体微粒对孔壁无碰撞作用而不被粘附：当速度很大时，铝液流会把固体微粒从孔壁上冲刷下来，并将其带走。所以对每一种被过滤的铝液都要选择最佳的过滤速度。过滤器自身成本很低，又可使铸件( 锭) 质量和性能大幅度提高，这往往可使铸件( 锭) 的使用价值成倍增长，因此过滤净化是一种经济收益率极高的工艺方法，这也是别的工艺方法无法比拟的。2 2 1 2 过滤对铝及铝合金质量的影响过滤对铝及铝合金的内在质量乃至铸件、铸锭及铝加工产品的性能具有重要影响，主要表现在如下几方面。1 除去铝液中
9、携带的大块夹杂物铝液容易氧化，因氧化膜卷入而造成的氧化夹杂物无论对成型铸件还是对变形加工用的铸锭的质量都有十分显著的影响。但是，铝液经过滤净化处理后，无论采用上述哪种类型的过滤器，只要使用得当，都可以有效地除去铝液中所携带的大块夹杂物。如果 在连铸的流道上和结晶器的浇注系统中采用网型过滤器，即可基本上消除大块夹杂物；如果放入泡沫陶瓷过滤器，则可在生产条件下从根本上除去铝液携带的大块夹杂物。电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯理。其安放位置处于熔化炉与电磁连铸成型系统之间，整个净化处理的时间大约为1 5 m i n ，在净化处理过程中，必须保证铝液不能过度降温和凝固，还需要对铝液的温度 进行调整。因
10、此设计了净化装置的保温功能，对铝液的温度进行控制。该装置包括净化装置外壳、净化装置上盖及净化装置膛体等部分。 本实验用w z K 可控硅温度控制器控制温度，其最大控制温度可以达到l l O O ，选 用N i C r N i s i 铠装热电偶，测量熔化炉内温度，并控制浇注温度。净化系统：净化装置箱体内腔用耐火隔板分成过滤净化室和气体净化室两部分。在 过滤净化室与气体净化室之间的隔板底端放有泡沫陶瓷板过滤器，铝液经过它的过滤净化，除去氧化渣和非金属夹渣；在净化室底部有两个多孔陶瓷吹气头，相当于气体扩散器的作用。净化过程中气体从氩气瓶流出、经过减压阀减压后，通过气体流量计控制气 体的流量，然后经
11、过多孔吹气头吹入到复合净化装置中，控制流量计确保两个吹气头的吹气量相同，使气泡的分布均匀。从多孔陶瓷吹气头喷出细小气泡进入熔体，弥散气泡与气体均匀混合并上浮，气泡在熔体中靠气体分压差和表面吸附原理，吸收熔体中的氢，吸附氧化物夹渣，在气泡上升过程中带出熔体表面，使熔体得到净化。处理后的熔体直 接进行浇注，并且在金属液的上方通有氩气保护，防止金属液被空气中的水蒸气及氧气二次污染。图2 1 3 是净化装置外壳的结构示意图，由厚2 衄的不锈钢钢板焊接而成。外壳尺寸为4 4 0 栅3 7 0 衄3 0 0 哪。外壳个侧面的上部焊接4 个巾1 5 衄、长2 5 唧的不锈钢管，用来穿过电阻丝和陶瓷绝缘管；中
12、间的安装板用来固定用环氧树脂板制作的接线 板，接线板上制作两个接线柱，用来连接电阻丝和电源线；下部开两个由1 5m 的孔，用来安装吹气管：外壳的另一个侧面焊接一个截面为1 0 0 嗽1 0 0 勰的槽，用来制作出液口。图2 1 4 是净化装置上盖的结构示意图，上盖用厚2 姗的不锈钢钢板焊接而成。尺 寸为3 5 0 锄3 8 0 衄5 0 皿。上盖上焊接一个巾3 0 衄5 0 咖的不锈钢钢管，用来固定热电偶。上盖的内表面压入厚3 0 彻的硅酸铝保温毡，保温毡用不锈钢网固定在上盖上，防止上盖的散热，对净化装置进行保温。t 呲l】I3 8 0。J图2 1 4 净化装置上盖的结构示意图F i g 2
13、1 4S c h e m 砒i cd i a g r a mo f 印p e rc o v e ro f p u r i f i c a I i o nu t e n s 订净化装置膛体的结构如图2 - 1 5 所示，尺寸为3 8 0 衄2 9 0 咖2 5 0m 。膛体的壁厚 为3 s 衄，净化装置膛体的四周壁上加工有间隔4 0 咖、由1 5 衄的通孔，用来缠绕电阻电磁连铸复合净化法制各铝合金铸坯丝，对净化装置腔体进行加热。电阻丝共有两组，采用并联的方式连接，总的功率为 5 k w 。净化装置膛体的外壁与净化装置外壳之间用硅酸铝保温毡填充，厚度为3 0 咖左 右。空载加热实验证明，当净化装置
14、膛 体内的加热温度为8 5 0 时，净化装置 壳外壁的温度为1 0 0 左右，说明设计的保温层具有良好的保温作用。 净化装置膛体内被厚2 0 哪的硬质 耐火砖分隔为过滤净化室和气体净化 室两部分。隔板的下部开设尺寸为6 5 嘲6 5 栅的槽，用来安装泡沫陶瓷过 滤板，隔板与泡沫陶瓷过滤板之间用耐火水泥粘结，加热硬化后具有足够的强 度。在气体净化室底部安装有两个多孔 吹气头，惰性气体从多孔吹气头喷出细小气泡进入熔体。2 3 磁场的测定图2 - 1 5 净化装置膛体( 俯视)F i g 2 - 1 5P u r i 行c a t i o nu t e n s i lh e a r h在铝硅合金电磁
15、连铸过程中。软接触式开缝结Y晶器对电磁场的分布产生很大的影响。电磁场在成型系统中的透过效率得到提高，同时也使结晶器内 电磁场的分布变得更复杂。合理均匀的磁场分布是 实验成功进行的重要条件，因此进行磁场的测量和 研究十分必要。本文采用小线圈法测量了在结晶器高度方向、半径方向及不同功率条件下的磁场分布情况。2 3 1 实验方法毫伏计图2 1 6 磁场测量的示意图F i g 2 - 1 6S c h e m a t i cd i a g r a r I lo fm e a s u r i r 培o f m a g n e t i c 丘e l d电磁铸造条件下的电磁场为复杂的三维场，涡流的存在、高的
16、电流频率使磁场的分 布很不均匀，直接对磁场进行研究有一定的困难。根据电磁感应原理，可以用小线圈法 测量感应器内的磁场分布，如图2 1 6 所示。当小线圈置于磁场中时，小线圈在电磁场的作用下将产生感应电动势。通过测量小 线圈的感应电动势，利用下式来计算磁感应强度：B =曼 4 4 4 小心式中：B 为磁感应强度，T ；E 为感应电动势，V ；，为频率，H z ；为线圈有效匝电磁连铸复合净化法制备铝合金铸坯数is 为线圈有效面积，m 2 。2 3 2 结晶器内沿高度方向的磁场分布表2 1 、表2 2 分别是电源功率为1 0 k W ，频率为l k H z 时，测得的缝隙( s l i t ) 处与型 壁处( s e g r n e n t ) 磁感应强度沿结晶器高度方向的数值。图2 - 1 7 和图2 1 8 是根据表2 1 和 表2 2 所得的磁感应强度分布曲线。r 为测量点距结晶器壁的距离。 由图2 1 7 可知，在结晶器壁处，磁感应强度最大；沿结晶器高度方向磁感应强度
